虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學專業(yè)實驗教學的應用

柯文婷

摘要：虛擬現(xiàn)實技術是一個巨大的、正在成長的市場，被廣泛應用于諸多領域，將虛擬現(xiàn)實技術應用于醫(yī)學教學，能有效地解決臨床實驗教學模擬度低，實踐與理論教學脫節(jié)等方面存在的問題。虛擬現(xiàn)實技術能使理論型的知識學習起來更加直觀，提高學生與模擬現(xiàn)場的互動程度，更好地讓學生親臨其中。更加容易把握操作類知識的學習整個流程；其次，相較于傳統(tǒng)的醫(yī)學實驗教學方法，學習解剖學各臟器和各組織虛擬現(xiàn)實技術有其不可取代的優(yōu)勢。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；實驗教學；臨床醫(yī)學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0134-02

1 引言

實驗教學是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才的重要實踐性環(huán)節(jié)，它是學生鞏固和加深對理論知識的理解，鍛煉在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。虛擬實驗室在培養(yǎng)學生的實踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學環(huán)節(jié)所不能替代的獨特作用。

醫(yī)學臨床實驗對于各臟器和組織的解剖教學，目前只有“課本——手術臺”這種方式①，這種學習方式只能對尸體或者活體動物解剖進行學習，而手術的過程是不可逆的，傳統(tǒng)的教學方式不僅成本高，學習效果也不佳。一名優(yōu)秀的醫(yī)生，需要經(jīng)歷無數(shù)臺臨床手術積累豐富的經(jīng)驗，不僅風險大，而且周期長！傳統(tǒng)講授課本的教學方法，醫(yī)學的概念理論和圖片畫面，不夠直觀立體，學生不能僅僅通過閱讀就獲得相關知識，更難以理解透其中的精髓。由于現(xiàn)實條件的種種限制，觀摩手術過程來學習臨床醫(yī)學的機會更是少之又少，很多醫(yī)學生只能等去到醫(yī)院實習了，才能見識到規(guī)范的手術過程，這使得理論與實踐嚴重脫節(jié)。

2 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是近年來非常熱門的多媒體應用技術之一，是一系列高新技術的匯集，它是一門涉及仿真技術、人工智能、傳感器技術、圖像處理技術、多媒體技術、人機交互技術、計算機網(wǎng)絡以及高度并行等的綜合集成技術，還包括人的行為學研究等多項關鍵技術[2]。它是多種多媒體應用技術更深層次的滲透和集成，能夠給使用者帶來逼真的體驗，為人類觀察由于種種原因不方便直接觀察各種微觀和宏觀世界提供了極大的便利。用戶可以通過建立虛擬模型，觀察、操縱虛擬對象，瀏覽者通過三維鼠標、立體眼鏡、立體頭盔和數(shù)字手套等傳感器與計算機建立聯(lián)系，通過人的運動、力覺、觸覺、聽覺等感知，甚至還能模擬真實的味覺和嗅覺，傳遞給人的神經(jīng)系統(tǒng)，最終產(chǎn)生一個擬人化的三維逼真虛擬環(huán)境，并與之交互。[3]

3 虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)

3.1虛擬現(xiàn)實技術軟件系統(tǒng)組成

實現(xiàn)VR技術應用的關鍵在于虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)，比起國內(nèi)，國外運用虛擬現(xiàn)實技術的時間要早不少。

虛擬現(xiàn)實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種用于建立模擬世界場景的建模語言，是基于Internet的三維網(wǎng)頁制作的主流語言，具有平臺無關性。VRML本質(zhì)上是一種解釋性的面向?qū)ο蟮娜S語言。

VRML的對象是結(jié)點，復雜的景物可以由結(jié)點的子結(jié)點的集合構(gòu)成，對實例進行復用可以得到結(jié)點，對結(jié)點賦名和定義后，可建立動態(tài)的虛擬世界。VRML標準現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了新的標準X3D，X3D經(jīng)過ISO國際認證，稱為可拓展的三維語言，VRML具有以下特性：

1）應用C/S軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，可以直接從Internet調(diào)入VRML程序。

2）具有多媒體特性，能夠使用VRML實現(xiàn)各種圖形視頻的制作。

3）能夠創(chuàng)建3D場景和造型，增強了的靜態(tài)場景，實時 3D 渲染、腳本支持。

4）實現(xiàn)感知的功能，用戶和造型可以進行動態(tài)交互。

目前具有代表性的VR技術還有：Java 3D、Cult3D、Web3D中的X3D，還有在服務器上應用的Su-perscape VRT、MPIVega等，它們?yōu)樵谔摂M醫(yī)學系統(tǒng)中應用VR技術提供了工具。

3.2虛擬現(xiàn)實技術硬件系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實技術硬件系統(tǒng)組成主要包括觸覺和動覺系統(tǒng)、跟蹤球、語音識別器、感覺手套、3D聲音定域器、聲音合成器虛擬現(xiàn)實發(fā)生器和高性能的計算機等。

4 國外研究現(xiàn)狀

計算機輔助骨科手術（CAOS）是利用先進的成像設備，如磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、計算機斷層掃描（CT）、數(shù)字血管減影（DAS）、超聲成像（US）以及醫(yī)用機器人（MR），采用相關計算機技術，對所采集的圖像信息進行處理，定位和標記人體骨骼的解剖結(jié)構(gòu)，利用計算機相關算法和規(guī)則，制定最佳的手術方案。另外，在3D定位系統(tǒng)和圖像監(jiān)視下，還能在正式手術前進行手術模擬。在骨科手術中，通過特定的引導系統(tǒng)，使用醫(yī)用機器人和計算機進行手術干預，為醫(yī)生提供強有力的方法和工具。

Sonocard Project是德國國家信息技術研究中心開發(fā)的一種交互式應用軟件[4]。這種應用軟件可以借助企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或者因特網(wǎng)，進行課堂環(huán)境下的醫(yī)療培訓。這種培訓產(chǎn)生的真實感讓學生能夠讓學生感覺如同在現(xiàn)實環(huán)境下進行各種各樣的心臟病理實驗一樣。Sonocard Project通過研究以案例為基礎的課程，更好地為醫(yī)學生提供心臟超聲波檢查等方面的教育和醫(yī)療培訓。

德國的計算機與醫(yī)學數(shù)學研究所（漢堡大學），采集了人體解剖圖譜后將之數(shù)字化，并建立了的三維圖像。通過被測試者的磁共振成像和計算機斷層掃描圖像或組織切片圖片建立三維模型，利用人工智能技術，把各部位的相關領域知識填充到空間模型中。學習者可在建立的空間模型中進行各種操作。[5]

美國國家圖書館從1985年開始研究如何將人體解剖數(shù)字化，分別對一具女性尸體和男性尸體進行0.33mm和1mm的MR和CT掃描后，將尸體冰凍之后進行1mm薄切片后采集圖片并數(shù)字化，重建圖像的矢狀面和冠狀面映像，再壓縮數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，建立了“可視人”。[6]

5 VR技術的醫(yī)學應用

VR技術的醫(yī)學應用是指對特定的醫(yī)學場景的真實再現(xiàn)。從醫(yī)學圖像開始，發(fā)展到虛擬人體、虛擬醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬實驗室和藥物研究。虛擬實驗室能夠突破時間、空間的限制。通過真實地還原臨床手術的現(xiàn)實場景，利用虛擬現(xiàn)實技術構(gòu)建的虛擬實驗室不需要考慮各種現(xiàn)實限制，學生可以突破時間限制觀察手術過程，也可以親自進行操刀手術而不用擔心由于技術或經(jīng)驗的不足，造成醫(yī)療事故。加深了學生對實驗內(nèi)容的印象，進一步激發(fā)和促進學生的思考問題、分析問題的能力。

5.1 手術培訓

在臨床手術中，有80%的手術失誤都是由于人為錯誤操作而引起，所以對臨床醫(yī)生的手術訓練極其重要。醫(yī)生在走向真正的手術臺前，需要進行大量的練習[7]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)讓學習者可以不受標本、場地的限制，為學習者提供一個理想的訓練平臺。 準醫(yī)生們通過觀察高分辨率的人體3D圖像，通過使用觸覺工作臺來模擬觸覺，讓準醫(yī)生感受切割組織時的器械觸感，給操作者的感覺就像對真實人體進行手術，這種培訓既不會危及患者的安全，而且還能逼真地還原低概率高風險的手術案例供準醫(yī)生們進行重復練習，例如，通過虛擬導管插入動脈的模擬器，可以使學生反復實踐導管插入動脈時的操作；通過測量切口的壓力和角度、組織損傷等指標，監(jiān)測外科手術技術的訓練進度。

5.2 手術預演

虛擬現(xiàn)實技術可以使用患者的真實數(shù)據(jù)在計算機中創(chuàng)建模擬環(huán)境，讓醫(yī)生在虛擬環(huán)境中進行手術預演，可增加網(wǎng)絡功能，在外地專家的指導下工作，合理、定量地選擇最佳手術方案，減少對手術部位附近組織的損傷，提高腫瘤定位準確度。虛擬系統(tǒng)可以預演整個手術過程，讓醫(yī)生在正式手術前預知可能會出現(xiàn)的突發(fā)狀況，能有效地提高手術的成功率。

6 發(fā)展與展望

虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學臨床實踐方面的應用具有深遠的實踐意義。臨床醫(yī)學生在上手術臺前，借助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可重復模擬手術，提高操作熟練程度并制定最佳手術方案。虛擬現(xiàn)實技術雖然取得了一些研究成果，但距離推廣應用仍有相當大的差距。中國的虛擬現(xiàn)實技術較晚起步，但隨著國家對虛擬技術的重視和投入，虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)療上將會更廣泛和更深入的應用，這將給醫(yī)學教育帶來重大變革。

參考文獻：

[1] 賀細菊.動物器官在人體解剖學實驗教學中的應用探索[J].解剖學研究，2014（1）：67-69.

[2] 宋昌統(tǒng).虛擬現(xiàn)實技術在高職高專計算機專業(yè)中的教學研究[J].信息與電腦，2015（24）：162-164.

[3] 袁超.多媒體虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展和應用[J].視聽界：廣播電視技術， 2006（1）.

[4] 孫秀偉.虛擬現(xiàn)實技術（VR）在醫(yī)療中的應用展望[J].臨床醫(yī)學工程，2007（5）：17-20.

[5] 張晗.虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育中的應用探討[J].西北醫(yī)學教育，2010，18（1）：48-51.

[6] 孫秀偉.虛擬現(xiàn)實技術（VR）在醫(yī)療中的應用展望[J].臨床醫(yī)學工程，2007（5）：17-20.